Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bei Schildvortrieben

Bei Schneidrad-Inspektionen eines EPB-Vortriebs (EPB für Earth Pressure Balance Shield, dt. Erddruckschild) traten hohe Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) auf. Während das CO aus dem Gebirge freigesetzt wurde, bildete sich CO₂ bei der Reaktion eines Silikatschaums. Die toxischen Gase führten hinsichtlich des Arbeitsschutzes zu besonderen Herausforderungen, die insbesondere Druckluftinterventionen betrafen. Während eines Drucklufteinstiegs kam es zur Intoxikation eines Mitarbeiters. Dieser Beitrag¹ veranschaulicht Ursachen und Risiken dieser Gase im maschinellen Tunnelbau.
 

Die hier behandelten Gase Kohlendioxid (CO₂) und Kohlenmonoxid (CO) sind toxisch und bei hoher Konzentration mit geringerem Sauerstoffgehalt der Atemluft verbunden. Während Gase wie Methan (CH₄) oder Schwefelwasserstoff (H₂S) geogenen Ursprungs sind, treten CO₂ und CO üblicherweise im Rahmen von Verbrennungsprozessen auf (z. B. Brandgase, Abgase, Sprenggase).

Beide Gase sind geruchlos und nur mittels Gasmessgeräten nachweisbar. Beginnende Vergiftungssymptome (Schwindel, Kopfschmerzen, Bewusstlosigkeit, Atemnot bei CO₂) stellen bereits lebensgefährliche Situationen dar. Während CO₂ schwerer als Luft ist und sich in Senken anreichern kann, ist CO gleichmäßig in der Umgebungsluft verteilt.

Umgang mit toxischen Gasen

Der Umgang mit Gefahrstoffen ist im Arbeits- und Gesundheitsschutz durch stoffliche Grenzwerte geregelt. Die Tabelle unten zeigt die für Deutschland in der TRGS 900 definierten Grenzwerte der Kohlenstoffoxide.

Die Grenzwerte sind für Arbeiten unter atmosphärischen Bedingungen wissenschaftlich bewertet und gelten nicht in einer Überdruckatmosphäre. Die veränderten physikalischen und klimatischen Expositionsbedingungen im Überdruck führen zu einer physiologischen Anpassung des menschlichen Organismus, unter anderem mit Veränderungen des Grundumsatzes, der Kreislauf- und Atemregulation und des Flüssigkeitshaushalts. Die biologische Wirkung von Gefahrstoffen ist deshalb, auch bei gegenüber dem Atmosphärischen identischen Konzentrationen, als erhöht zu bewerten. Mangels toxikologischer Bewertung ergibt sich nach dem aktuellen Stand der Technik ein Minimierungsgebot.
 

Toxische Gase bei Druckluftarbeiten sind ein Sonderfall hinsichtlich der Arbeitssicherheit, der umfassend messtechnisch erfasst werden muss. Da Gasmessgeräte für Überdruck weder zugelassen noch geeicht sind, muss die Gaskonzentration grundsätzlich bei atmosphärischem Druck (z. B. an Schiebern der Druckwand) gemessen und auf die jeweilige Arbeitsdruckstufe umgerechnet werden. Über daraus folgende Gefährdungsbeurteilungen müssen Maßnahmen festgelegt werden, um die Schutzziele zu erreichen. Dazu sind die Fachkräfte für Arbeitssicherheit und der ermächtigte Arzt einzubeziehen.

Randbedingungen des Projekts

Der betreffende EPB-Vortrieb verlief in tertiären Locker- und gering festen Festgesteinen. Diese enthielten häufig organische Bestandteile. Außerdem wurden Störungsgesteine mit Graphit angetroffen. Bei Inspektionen des Schneidrads war die Luft in der Abbaukammer mit CO belastet. Der geogene Ursprung wurde nachgewiesen, da beim Mahlen des Gesteins in einer Kaffeemühle CO freigesetzt wurde. Die Freisetzung des CO könnte einerseits als freies Gas aus dem Porenraum des Gesteins oder andererseits durch Pyrolyse der organischen, kohlenstoffhaltigen Gesteinsbestandteile infolge Reibungswärme beim Bohrvorgang induziert worden sein. Die Ursache konnte im Rahmen der Baustellenabwicklung nicht ausreichend verifiziert werden. Die systembedingte Anreicherung in der Abbaukammer führte zu hohen Gaskonzentrationen. Mit bis zu 1300 ppm traten Überschreitungen der Kurzzeitgrenzwerte um das Zwanzigfache auf. Am Förderband gemessene CO-Werte waren geringer, da aus dem Aushub ausgasendes CO sofort in der Tunnelluft verdünnt wurde.
 

Im Bereich von Kiesen mit Grundwasserdruck waren Drucklufteinsteige erforderlich. Diese waren trotz Grundwasserdrainierung, teilweise stützenden Erdbreis (nur Teilabsenkung) und Druckluftstützung durch starke Nach- und Überbrüche geprägt. 
 

Der dem Vortrieb vorauslaufend aufgelockerte Boden musste vor jedem Drucklufteinstieg mit einem Injektionsschaum auf Silikatbasis vergütet werden . Bei der Reaktion der zwei Komponenten des Silkatschaums wird CO₂ frei. Aufgrund des Erfordernisses, das Injektionsgut bereits vor dem Drucklufteinstieg einzubringen, waren diese durch hohe CO₂-Konzentration beeinträchtigt.

Einstiegsbedingungen und Arbeitsschutzmaßnahmen

Die Prognose ließ keine Gaszutritte erwarten. Vorsorglich war die Tunnelvortriebsmaschine (TVM) mit Gassensoren und einem Gasalarmsystem ausgestattet. Gasmesssonden sind technisch nur ohne Druckeinfluss – also außerhalb von Abbaukammer und Druckluftschleuse einsetzbar. Messonden für die geogenen Gase H₂S und CH₄ waren am Schneckenabwurf und am Ausgang der Druckluftschleuse installiert. Messonden für CO und CO₂ waren im Hinblick auf potenzielle Brandgase ausschließlich am Fluchtcontainer im Nachläufer installiert.

Bei Einstiegen in die Abbaukammer wurden mit Handgasmessgeräten gegenüber den Grenzwerten erhöhte CO-Werte erkannt. Infolgedessen wurde die Anzahl der Handgasmessgeräte erhöht und zusätzlich Messungen auf der TVM durchgeführt. Während des Vortriebs erfolgten systematische Handmessungen an den Förderbändern und an häufig von Personal besetzten Punkten. Vor den Einstiegen erfolgten Handmessungen am Förderband, an der Firstentlüftung, beim Ablassen des Stützdrucks an Schiebern der Druckwand und direkt nach Öffnung der Tür zur Abbaukammer.

Bei atmosphärischen Einstiegen war die Gasbelastung auf CO beschränkt. Die offene Druckluftschleuse und Türen in der Druckwand ermöglichten eine effektive Belüftung. Meist waren 20 bis 60 Minuten ausreichend, um die CO-Konzentration unterhalb der Grenzwerte zu verdünnen. Während des Einstiegs wurde die Belüftung aufrechterhalten und die Gaskonzentration laufend gemessen, um ggf. schnelle Evakuierungen zu ermöglichen.

Bei Drucklufteinstiegen war die Abbaukammer aufgrund der Gebirgsvergütung zusätzlich mit CO₂ belastet. Der Luftaustausch erfolgte ausschließlich über die Samson- Druckregelungs-Anlage, die unter Aufrechterhaltung des Stützdrucks nur einen geringen Luftaustausch ermöglicht. Aufgrund hoher Gasbelastungen konnte eine Verdünnung unterhalb der Grenzwerte erst nach mehreren Drucklufteinstiegen erreicht werden. Diese erforderten daher einen speziellen Atemschutz. Die Atemluftversorgung als Überschussdauerstrom (Freeflow) wurde über Nasooralmasken für jeden Exponierten individualisiert. Die Luftversorgung der Masken (s. Abbildung) erfolgte über Atemschläuche, die zu einem Hüftgürtel am Mitarbeiter als Zugentlastung geführt wurden. Druckluftarbeiten sind unter diesen Bedingungen erschwert, da u. a. Sicht und Bewegungsfreiheit durch Masken und Atemschläuche eingeschränkt sind.

Druckluftmedizinische Betreuung im Bereitschaftsarztmodell

Tunnelbauprojekte mit Expositionen des Personals im Überdruck finden regelmäßig auch in dünn besiedelten Regionen statt. Die Einbindung fachlich qualifizierter ermächtigter Ärzte für die Überdruckmedizin ist dabei erschwert. Verlängerte Anfahrtswege und somit längere Meldezeiten sind zu berücksichtigen. Ein für die Praxis wirksames Konzept findet sich in den deutschen Arbeitsschutzregelungen mit Ergänzungsregelungen zur Druckluftverordnung (DruckLV) in Form der RAB 25. Dabei kann auf Antrag auf die dauerhafte Anwesenheit des ermächtigten Arztes vor Ort (p< 2,0 bar) verzichtet werden, wenn ortsnah ein Bereitschaftsarzt mit kürzerer Meldezeit eingesetzt werden kann. Der Bereitschaftsarzt wird vom beauftragten ermächtigten Arzt ausgewählt und verpflichtet. Die erforderliche fachliche Qualifikation und die gesundheitliche Eignung werden durch den ermächtigten Arzt gewährleistet.
 

Mit diesem Modell lässt sich eine den fachlichen Anforderungen und der Sicherung der Schutzziele dienende druckluftmedizinische Betreuung der Arbeiten in Überdruck auch an entfernteren Baustellen sicher realisieren. Das Betreuungsmodell hat sich bereits international in vielen Projekten bewährt und wurde für das beschriebene Projekt implementiert.

Die medizinische Betreuung setzte sich aus dem ermächtigten Arzt als leitendem Arzt, seinem Stellvertreter und vier Bereitschaftsärzten im Nahbereich der Baustelle zusammen. Für den gesamten Zeitraum des Druckluftvortriebs war die fachliche ärztliche Versorgung 24 Stunden an sieben Tagen die Woche verfügbar.

Der eingetretene inhalative Vergiftungsnotfall konnte mit diesem System bei kurzen Meldezeiten unmittelbar gezielt durch druckluftspezialisierte Ärzte behandelt werden, einschließlich der Druckkammerbehandlung mit hyperbarem Sauerstoff. Das Auftreten möglicher Langzeitschäden beim Verunfallten konnte damit unterbunden werden.
 

Fallbeschreibung: Intoxikation bei einem Drucklufteinstieg

Bei einem Drucklufteinstieg kam es trotz Atemschutz zur Intoxikation eines Mitarbeiters. Der Drucklufteinstieg erfolgte mit drei Personen bei 2 bar Stützdruck mit Teilabsenkung des Erdbreis. Gasmessungen an Schiebern zur Abbaukammer ließen hohe Gasbelastungen erwarten, sodass die Tür zur Abbaukammer bereits mit angelegtem Atemschutz geöffnet wurde. Die Gasmessungen in der Abbaukammer ergaben Maximalwerte von 492 ppm CO und 14,55 VoI.-% CO₂. 

Der Einstieg verlief zunächst planmäßig. Trotz Druckluftstützung war ein Wasserzutritt im unteren Bereich hörbar. Da aufgrund der Sande und Kiese Materialaustritte und die Verschlechterung der Ortsbruststabilität möglich erschienen, war eine Beurteilung des Wasserzulaufs hinsichtlich weiterer Drucklufteinstiege erforderlich. Beim Abstieg eines Mitarbeiters kam es ca. 1,6 m unterhalb der Tür zur Druckluftschleuse zur Intoxikation.
 

Der Mitarbeiter bekam plötzlich Atemnot, Schwindel und das Gefühl beginnender Bewusstlosigkeit, sodass ihm die lebensbedrohliche Situation bewusst und sofort der Aufstieg zur Tür der Druckluftschleuse angetreten wurde. Ab diesem Zeitpunkt kann sich der Verunfallte nicht mehr erinnern, obwohl der Aufstieg selbstständig verlief. Die anderen Mitarbeiter halfen dem Verunfallten in die Druckluftschleuse, wo dieser nach eigener Schilderung vergleichbar mit dem Erwachen aus einer Narkose zu sich kam. Der Druckluftaufenthalt wurde sofort abgebrochen und die Rettungskette eingeleitet.

Nach Rücksprache mit dem ermächtigten Druckluftarzt erfolgte die Dekompression in der Druckluftschleuse bereits mit verlängerter Sauerstoffzufuhr. Im Anschluss an die Dekompression wurde der Verunfallte aus dem Tunnel verbracht und unmittelbar in der auf der Baustelle installierten Überdruckbehandlungskammer mit reinem Sauerstoff, nach Vorgaben des ermächtigten Arztes, in Überdruck behandelt. Nach Abschluss der Überdruckbehandlung wurde der Verunfallte im Krankenhaus zur weitergehenden Diagnostik hinsichtlich Blutwerten und neurologischer Fragestellungen behandelt.

Nachevaluierung und zusätzliche Maßnahmen

Die Intoxikation trat trotz Umsetzung aller Maßnahmen aus der Gefährdungsbeurteilung auf. Die Versorgung mit umgebungsluftunabhängiger Atemluft entspricht dem Stand der Technik und der anerkannten fachlichen Praxis der Arbeitsmedizin. Ursächlich für die Intoxikation war ein Verrutschen der Atemschutzmaske beim Abstieg in die Abbaukammer. Dadurch wurde einerseits die Zufuhr der sauberen Atemluft vermindert und andererseits anteilig kontaminierte Umgebungsluft mit erhöhten Anteilen an CO₂ und/oder CO eingeatmet. Die vom Verunfallten beschriebenen Vergiftungssymptome weisen auf eine Intoxikation mit CO₂ bzw, eine O_2-Unterversorgung hin. Der fehlende Nachweis von CO bei der Blutuntersuchung im Krankenhaus lässt eine überlagernde Intoxikation mit CO aber nicht ausschließen, da es in der sofort durchgeführten Druckkammerbehandlung bereits wieder gegen O₂ substituiert worden sein könnte.
 

Die Nachevaluierung des Unfalls erfolgte in Abstimmung zwischen Druckluftarzt, Bereitschaftsarzt, Vertretern des Arbeitsschutzes und der Bauleitung. Obwohl die Vorgaben bzw. der Grad der Umsetzung des Arbeitsschutzes hinsichtlich der Gase auch vor dem Unfall schon sehr hoch waren, wurden folgende Adaptierungen umgesetzt:

• Erneute Sensibilisierung des Personals hinsichtlich der Risiken.
• Nachrüstung der TVM mit automatischen CO-Gasmesssonden am Schneckenausgang‚ an der Tür der Druckuftschleuse und im Bereich der Bandübergaben (Verbesserung der Sicherheit infolge automatischer CO-Messungen im 7-Sekundentakt und Gasalarmsystem statt alleiniger Messung mit Handgasmessgeräten).
• Weitere Erhöhung der Anzahl an Handgasmessgeräten und Intensivierung von Messungen. Personengebundene Atemschutzmasken (optimaler Sitz infolge angepasster Maskengurte).
• Anweisung, Abstiege in die Abbaukammer bei den ersten Drucklufteinstiegen mit höchsten Gaskonzentrationen zu vermeiden.

Fazit

Toxische Gase sind für den Arbeitsschutz bei Schildvortrieben besonders herausfordernd. Das gilt vor allem für Drucklufteinstiege, zumal Grenzwerte der aktuellen Arbeitsschutzrichtlinien auf atmosphärische Bedingungen beschränkt sind. Folgende Aspekte werden insbesondere hinsichtlich Kohlenstoffoxiden und anderer toxischer Gase für zukünftige Projekte vorgeschlagen:
 

Arbeitsschutz:

• Allgemeiner Gefahrenhinweis zu potenziellen Gasanreicherungen in Abbaukammern
• Ergänzung der Arbeitsschutzrichtlinien hinsichtlich der Grenzwerte toxischer Gase bei Überdruckarbeiten (Grenzwertangaben zu unterschiedlichen Druckstufen)
• Verpflichtender Einsatz von Handgasmessgeräten bei Einstiegen in die Abbaukammer (auch wenn keine Gase prognostiziert sind)
• Intensive Abstimmungen zwischen Arbeitssicherheitsfachkräften und Druckluftarzt bei Kombination von Überdruckarbeiten und toxischen Gasen (Grenzfall hinsichtlich Arbeitsschutz)
• Bereitschaftsarztmodell zur Gewährleistung einer optimalen Betreuung der Überdruckarbeiten
• CO-Gasmesssonden als Standards der TVM auch an Messpunktengeogener Gase
• Berücksichtigung von CO₂-Anreicherungen bei Einsatz entsprechender Injektionsmittel (z. B. Silikatschaum)
• Einweisung und Sensibilisierung des Personals hinsichtlich toxischer Gase
   

Planung/Ausschreibung:

• Erkundung hinsichtlich geogener Gase und Festlegung kritischer Vortriebsbereiche
• Aufzeigen des potenziellen Risikos von CO bei geogenem Kohlenstoff (z. B. fein verteilte organische Bestandteile, Torf, Kohle, inkohltes Holz, natürliches Bitumen, Graphit)
• Entwicklung von Laborversuchen hinsichtlich potenziellen CO (z. B. in Anlehnung an „Kaffeemühlenversuch“)
   

Kalkulation/Ausführung:

• Erhöhter Messaufwand (Handgasmessgeräte, zusätzliche Gasmesssonden) 
• Erhöhter Lüftungsaufwand bei atmosphärischen Einstiegen (längere Lüftung, temporäre Lüfter und Lutten)
• Spezifischer Atemschutz bei Überdruckarbeiten (personenbezogene Masken empfohlen)
• Erschwernis der Überdruckarbeiten aufgrund des Atemschutzes (verminderte Sicht und Beweglichkeit)